Excelente que hayas decidido entrar y aprender todo sobre los sensores de humedad, conocerás ¿Qué es? Y los aspectos mas importantes sobre estos sensores que tienen muchas aplicaciones en nuestra vida diaria.

El objetivo es que al final conozcas todo sobre este tipo de sensor y que aprendas a utilizarlo a través del pequeño ejemplo que haremos con Arduino y, sin mas vayamos paso por paso analizando estos magníficos componentes.

¿Qué es el sensor de humedad?

En términos sencillos la definición de un sensor de humedad puede quedar de la siguiente forma. 

Los sensores de humedad son dispositivos que te ayudan a medir el nivel de liquido o la humedad relativa en una área especifica.

¿Qué te pareció la definición? En esta frase incluí el termino humedad el cual es la magnitud física que hace que estos sensores tengan su razón de existir y, por lo tanto, debe ser un apartado que debemos estudiar para comprender mejor el funcionamiento de estos sensores, así procederé a definir ahora a la  "Humedad" .

¿Qué es la humedad?

La humedad la podremos definir como un fenómeno natural que se presenta a nivel molecular, en palabras mas siempre seria:

La humedad es el fenómeno  que se hace presente en un área predeterminada cuando la moléculas de agua hacen contacto entre si, esto ocasiona una reacción a la que le llamamos humedad y se puede encontrar principalmente en dos estados, solido o gaseoso.

Tipos de humedad

Ahora que ya tenemos una definición general, podemos revisar los tipos de humedad mas importantes:

• Humedad absoluta
• Relativa
• Especifica

Humedad absoluta (AH)

Es la relación entre la masa del vapor de agua y el volumen del aire:

 AH = m / V 

Donde 

• n es la masa del vapor de agua
• V es el volumen total

Es importante mencionar que la humedad absoluta no toma en cuenta la temperatura.

Humedad relativa (HR)

Es la relación entre la humedad absoluta y la cantidad de saturación y nos referimos hacia ella en términos de porcentajes:

 UR = AH/CS 

Donde

• AH es la humedad absoluta
• CS es la cantidad de saturación

Los sensores de humedad y temperatura utilizan este propiedad ya que la humedad relativa a diferencia de la humedad absoluta tiende a tomar en cuenta tanto la temperatura como la presión, por lo tanto, los sensores fabricados para la humedad relativa, miden tanto la  humedad como la temperatura del aire.

Humedad específica (SH)

Es la relación de masa del vapor de agua con la masa total del aire. La relación de mezcla es la relación entre la masa del vapor de agua y la masa del aire seco.

¿Dónde se utilizan los sensores de humedad?

Es muy común el uso de estos sensores con reguladores para mantener la humedad en algunos sitios en particular. También son bastantes utilizados en sistemas de calefacción, ventilación y climatización, e incluso en sistemas de producción donde se requiere un control de humedad.

Otro gran uso de estos sensores suele ser para medir la humedad en materiales como cereales, arroz, granulado de plástico, carbón, cemento, masas para recubrimiento, biomasa etc.

Sensor de humedad con Arduino

Ahora que si eres un amante de la electrónica una de las aplicaciones que no puede faltar si eres estudiante o estas aprendiendo a utilizar el Arduino, te mostraré un ejemplo súper rápido que puedes implementar en unos cuantos minutos, solo necesitas lo siguiente:

• Descarga el IDE de Arduino desde su página oficial dando clic AQUÍ.
• Yo utilizaré una tarjeta que no es un Arduina propiamente si no una tarjeta compatible pero que es muy barata y para esta prueba va bastante bien. Esta tarjeta es un ELEGOO UNO R3 que puedes comprar en Amazon, abajo te dejo un Link, donde lo puedes comprar.
• Así mismo utilizaremos el sensor de temperatura y humeda del mismo fabricante y utilizaremos el ejemplo que nos proporciona al comprar su kit de sensores, también te dejare el link más abajo para que lo revises si deseas.

Entonces, vayamos paso por paso, primero cuando estés en la página de Arduino veras esta imagen en donde debes seleccionar el sistema operativo que estas manejando.

Conexión del sensor de humedad y temperatura al Arduino

Puedes obtener la documentación de los sensores y Arduino en la página del fabricante que puedes visitar aquí, donde encontrarás el código de muestra y la librería para poner a trabajar tu sensor, en mi caso es el Elegoo 37-in-1 Sensor Kit V1.0 solo da clic y descarga el archivo comprimido.

Ahora el archivo que descargas se encuentra en ZIP y encontrarás varios archivos el que necesitamos por el momento esta en la carpeta "code\Lesson 4 TEMP AND HUMIDITY MODULE". Aquí vamos a tener 2 carpetas:

• DHT_nonblocking, que contiene el código que vamos a descargar en nuestro Arduino
• DHT.zip, que contiene la librería que nos permitirá comunicarnos con el sensor.

En nuestro IDE de Arduino debemos abrir el archivo DHT_nonblocking.ino, lo que se verá algo así:

• Aquí te dejo el código para que lo veas mejor:

//2018.6.28
#include <dht_nonblocking.h>

#define DHT_SENSOR_TYPE DHT_TYPE_11
//#define DHT_SENSOR_TYPE DHT_TYPE_21
//#define DHT_SENSOR_TYPE DHT_TYPE_22

static const int DHT_SENSOR_PIN = 2;
DHT_nonblocking dht_sensor( DHT_SENSOR_PIN, DHT_SENSOR_TYPE );

void setup( )
{
  Serial.begin( 9600);
}
void loop( )
{
  float temperature;
  float humidity;

  if(dht_sensor.measure(&temperature, &humidity)){
    Serial.print( "T = " );
    Serial.print( temperature, 1 );
    Serial.print( " deg. C, H = " );
    Serial.print( humidity, 1 );
    Serial.println( "%" );
  }
}

• Ahora simplemente conecta tu Arduino a la PC y verifica que lo haya reconocido, puedes revisar esto en las opciones del IDE.

Bien ahora solo demos de alta nuestra biblioteca DTH en el IDE de Arduino, para ello lo que a mi me gusta hacer es copiar directamente los archivos a la ruta de bibliotecas del IDE esta se encuentra en una ruta similar a esta en tus archivos de Windows:

• C:\Users\tu_usuario \Documents \Arduino \ libraries

Aquí debes crear una carpeta de nombre DHT y dentro de ella pega los archivos dht_nonblocking.cpp y dht_nonblocking.h que vienen en tu carpeta DHT.zip que vimos anteriormente.

Bien, ahora que ya tienes el código y has instalado las librerías comprueba que esta todo correcto dando en compilar el código en el IDE de Arduino, solo debes pulsar el icono de la palomita en la parte superior izquierda.

Conexión del sensor de temperatura y humedad a la tarjeta Arduino

Toda la información que necesitas viene en los archivos que descargaste anteriormente, pero en resumen solo debes saber lo siguiente:

Polaridad del sensor de humedad y temperatura

Conexión del cableado sensor de temperatura y Arduino

• Una vez que hagas eso se debe ver algo así, deja te muestro el mio y como lo hice la foto no es muy buena pero ejemplifica muy bien la conexión y como lo puedes hacer tu.

Programando nuestro Arduino

Ya que tienes conectado tu Arduino y el código ya ha compilado, solo debes dar clic en el icono que esta a lado izquierdo del icono que utilizaste para compilar, si das clic el código se compilara nuevamente y se subirá al chip del Arduino y si todo sale bien verás algo como esto.

• Bien hecho si todo a salido bien puedes abrir la terminal serial que viene incluida en el IDE de Arduino para ver los datos que arroja el sensor, hazlo así:

• Ahora solo queda ver los datos que arroja en la terminal serial y seria algo así:

Excelente amigo, ya has logrado hacer que funcione tu sensor de humedad y temperatura, ahora solo juega con el, yo lo que voy hacer es mostrar esos datos en una página web, solo que lo haré si me ayudas compartiendo este post en tus redes y si te suscribes a mi boletín.

Por ahora sigue te dejo mas datos sobre los sensores de humedad para que sigas aprendiendo y puedas comprender aun mejor como es que funcionan estos increíbles dispositivos.

¿Cómo funcionan los sensores de humedad?

El funcionamiento del sensor de humedad lo podemos resumir de la siguiente manera, cuando el sensor entra en contacto con el medio al que quieres medir la humedad, el sensor toma una muestra y la transforma en señales eléctricas, que por lo regular se envían a dispositivos de control, como Microcontroladores, PLC, etc.

¿Y como es que hace esta transformación? Bueno, esos es un poco mas complicado ya que requiere una explicación un poco mas técnica, ya que en este proceso, se requiere de un material semiconductor el cual determina con una muy buena precisión los valores de humedad e incluso de temperatura del medio.

¿Qué tipos de sensores de humedad existen y como se clasifican?

Interesante pregunta ¿Cierto? Pues hoy te voy a resumir esa información de la mejor manera posible y espero poder expresarme claramente.

Este tipo de sensores los podemos clasificar según el material y/o el principio que utiliza para realizar las mediciones, por ejemplo:

• Sensores de humedad capacitivos
• Sensores de humedad resistivos

Poco a poco iré agregando mas información según sea el caso, te recomiendo que te suscribas a mi boletín para que te avise de cualquier actualización, por lo pronto revisemos estos dos tipos

Sensores de humedad capacitivos

Lo sensores capacitivos para medir la humedad son muy interesantes y si no estas relacionado con el termino capacitivo te mencionaré de que trata rápidamente.

¿Qué es el efecto capacitivo?

El efecto capacitivo en electrónica es un fenómeno en el cual un dispositivo o material cuenta con la capacidad de almacenar carga.

Cuando un material tiene propiedades capacitivas quiere decir que tiene la capacidad de almacenar carga eléctrica e impide la conducción, a este tipo de componentes se les conoce como capacitores o condensadores que usan un material conocido como dieléctrico que aumenta la capacitancia, propiedad que indica cuanta carga puede almacenar dicho componente,

Ahora, cuando la carga es suficientemente grande este dieléctrico es vencido por la corriente eléctrica y el componente se comporta como un conductor. Espero no haberte confundido y el termino capacitivo te haya quedado claro.

Ventajas de los Sensor de humedad capacitivos

• El voltaje de salida es casi lineal.
• Proporcionan resultados estables durante un uso prolongado.
• Puede detectar un amplio rango de humedad relativa.

Desventajas de sensor de humedad capacitivos

• La distancia desde el sensor y el circuito de señalización es muy limitada.

Aplicaciones de los sensores de humedad capacitivos

Los sensores de humedad capacitivos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen pero que no están limitados a:

• Sistemas HVAC
• Impresoras y máquinas de fax
• Estaciones meteorológicas
• Automóviles
• Procesamiento de alimentos
• Refrigeradores, hornos y secadores

Sensores de humedad resistivos

Otro de los tipos de sensores de humedad mas importante son los resistivos, y como anteriormente explique el efecto capacitivo, en este otro tipo de sensor explicaré el efecto resistivo que suele ser un termino un poco mas común.

El efecto resistivo en un material es la capacidad del material para oponerse al paso de la corriente eléctrica.

El principio detrás de los sensores de humedad resistiva es el hecho de que la conductividad en los conductores no metálicos depende del contenido de agua.

Ahora bien, el efecto resistivo lo que produce es que al impedir el paso de la corriente eléctrica en el componentes, produce una variación de tensión eléctrica o voltaje en las terminales del componente.

Funcionamiento de los sensores de humedad resistivos

El sensor de humedad resistiva por lo general está compuesto de materiales con resistividad relativamente baja y la cual cambia significativamente con los cambios en la humedad, la relación entre resistencia y humedad es inversamente exponencial. El material de baja resistividad se deposita encima de dos electrodos, pero ¿Qué es la resistividad?

¿Qué es la resistividad? En los sensores de humedad

Al igual que antes te voy a definir el termino de resistividad para que te quede un poco mas claro de como funciona este tipo de sensor.

En términos generales la resistividad es la resistencia eléctrica específica que posee cada material para oponerse al paso de una corriente eléctrica, la cual, esta representada por la letra griega rho minúscula y que se mide en ohmios por metro, por lo general, la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, aunque, en materiales semiconductores no sucede así.

Volviendo al tema de sensor de humedad resistivos, en concreto al funcionamiento de este tipo de sensor viene dado por:

• Electrodos que se colocan en un patrón interdigitizado para aumentar el área de contacto.
• La resistividad entre los electrodos cambia cuando la capa superior absorbe agua y este cambio se puede medir con la ayuda de un circuito eléctrico simple.

Los sensores modernos de humedad resistiva están recubiertos con una sustancia cerámica para brindar protección adicional y los electrodos en el sensor generalmente están hechos de metales nobles como el oro, la plata o el platino.

Ventajas de los sensores de humedad resistivos

• Son de bajo costo
• Dimensiones pequeñas
• La distancia entre el sensor y el dispositivo de control puede ser grande, ideal para operaciones remotas.
• Cuenta con estándares de calibración lo que lo hace intercambiable sin ningún problema

Desventajas de los sensores de humedad resistivos

• Este sensor es muy sensible a los vapores químicos y otros contaminantes
• Las lecturas a la salida del sensor puede variar su se usa con productos solubles en el agua

Sensores de humedad de conductividad térmica

Este tipo de sensor entra dentro de la clasificación de resistivos, y son aquellos que tienen la capacidad de medir la humedad absoluta tanto del aire como en el vapor de agua.

Funcionamiento de los sensores de humedad con conductividad térmica

Los sensores de humedad basado en la conductividad térmica para su funcionamiento utilizan los famosos termistores que poseen coeficientes de temperatura negativa y los cuales están conectado en circuito tipo puente, en donde, uno de los termistores está herméticamente sellado dentro de una cámara llena de nitrógeno seco y en tanto el otro está expuesto al entorno a través de una pequeña ventilación. Y en el instante de que se enciende el circuito, se calcula la resistencia de los dos termistores y la diferencia que exista entre los dos es directamente proporcional a la Humedad absoluta, y listo ya tienes sensada la humedad.

¿Y qué es un termistor?

Un termistor es un tipo de resistencia eléctrica cuyo valor varía en función de la temperatura. En otras palabras se dice que un termistor es un tipo de sensor que sirve para medir los cambios de temperatura detectado a través de los cambios de resistencia según el frío o calor detectado.

Existen dos tipos fundamentales de termistores:

• Coeficiente de temperatura negativo (Negative Temperature Coefficient o NTC)
• Coeficiente de temperatura positivo (Temperature Coefficient o PTC)

Termistores de coeficiente de temperatura negativo

Se dice que en un termistor el coeficiente de temperatura es negativo cuando su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura en el componente

Estos tipos de termistores son usados, por ejemplo:

• En los automóviles para medir la temperatura del refrigerante del motor
• Medir a temperatura exterior o la temperatura del aceite del motor

Coeficiente de temperatura positivo

Cuando un termistor tiene un coeficiente positivo quiere decir que incrementara su resistencia a medida que aumenta la temperatura, y sus principales características son:

• Rango de temperaturas esta entre -50 ºC y 150 ºC, incluso en ocasiones dependiendo de su encapsulado llega alcanzar hasta los 300ºC.
• En temperaturas que rondan los 25 ºC la resistencia llega a varíar entre 100 Ω y 100 KΩ.
• Como son de tamaño pequeño hacen que la repuesta a los cambios de temperatura sea rápida logrando una mayor sensibilidad a los cambios de temperatura en comparación con otro transductores.

Sensores de humedad y temperatura

Creo que no es tan necesario profundizar en aspectos técnicos muy complejos para comprender que los sensores de humedad con conductividad térmica reaccionan a los cambios de temperatura, tal y como vimos hace un instante en la explicación de los termistores. Solo queda elegir cual es el que necesitas, uno con coeficiente de temperatura positivo o negativo.

Ventajas de los sensores de humedad con conductividad térmica

• Es muy altamente eficiente en ambientes de alta corrosión y altas temperaturas.
• Su manufactura los hace sumamente duraderos
• Tiene mayor resolución que otros sensores.

Desventaja de la conductividad térmica Sensores de humedad

• Si son expuestos a gases con propiedades térmicas que el nitrógeno no puede soportar, la medición de la humedad suele dar datos erróneos.

Aplicaciones de los sensores de humedad de conductividad térmica

Las aplicaciones mas importantes se podrán resumir en:

• Hornos de secado
• Secadoras de ropa
• En maquinas deshidratadoras de alimentos
• Plantas farmacéuticas

¿Cómo seleccionar un sensor de humedad?

Cuando se requiera elegir algunos sensor de humedad es importante tener en consideración los siguientes puntos y de esta manera contar con el sensor correcto.

• Precisión del sensor, depende de la escala y magnitudes que deseas medir
• Calibración inicial y mantenimiento preventivo
• Tamaño del sensor, no siempre puedes usar un genérico y mas en los autos debes usar el que marca el fabricante
• Costo del sensor y costo de reemplazo, no te vayas a llevar una sorpresa al querer reemplazar
• Repetibilidad de salida
• Complejidad del circuito
• Resistencia a la contaminación
• Confiabilidad del sensor

Hemos llegado al final por el momento, pronto estaré subiendo algunos ejemplos de sensores de humedad, te recomiendo que te suscribas al boletín para que no te avise cuando los suba.